陳 燁 劉 樂

南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院消化科(510515)

胃腸道中含有廣泛多樣、宿主特異性的微生物群，它們不僅適應了胃腸道中獨特而多樣的環(huán)境，而且能對外界各種變異原迅速作出反應，通過一系列生化信號與宿主相互作用，協(xié)調營養(yǎng)物質交換，調控免疫功能。宿主與微生物之間的相互作用建立在內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的基礎之上，菌群失調可參與或促進疾病的發(fā)生、發(fā)展。腸道菌群并沒有所謂的最佳組成，群落平衡對人類健康至關重要。本文從微生態(tài)學角度研究腸道菌群與人類宿主的關系，對近年來發(fā)現(xiàn)的腸道微生態(tài)與消化系統(tǒng)疾病的關系進行總結。

一、腸道微生態(tài)的功能

腸上皮將腸腔細菌與黏膜固有層分隔，形成一道天然的物理屏障，允許有限分子的細胞側轉運，精確調節(jié)上皮細胞間緊密連接對于維持腸上皮完整性至關重要[1]。腸上皮表面覆蓋著一層黏液，內層致密，外層松散，其高密度的特性可阻止大多數(shù)細菌移位。黏蛋白在個體間表現(xiàn)出高度保守性，在腸道細菌選擇中起重要作用[2]。只有少數(shù)微生物能黏附于黏液之上并幾乎完全附著于黏液外層，是否具有黏附能力取決于該細菌是否表達凝集素。正常人結腸中含有豐富的具有降解黏蛋白功能的阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)，其在維持腸道完整性方面發(fā)揮重要作用[3]。

先天免疫系統(tǒng)(innate immune system)是抵御病原體感染的第一道防線。Nod樣受體信號激活可誘導具有細胞保護作用的細胞因子、熱休克蛋白以及抗菌肽表達，發(fā)揮宿主防御功能。固有淋巴細胞(innate lymphoid cells, ILCs)是腸道先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分，Ⅲ型ILC的分化成熟受腸道微生物調控，其分泌的白細胞介素-22(IL-22)可促進腸上皮細胞和Paneth細胞合成、分泌抗菌肽，促進宿主防御，維持腸穩(wěn)態(tài)[4]。腸道共生菌也參與調節(jié)黏膜固有層T細胞亞群的募集和分化。分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria)緊密黏附于小腸上皮細胞和集合淋巴結，誘導黏膜Th17細胞反應，促進腸道細菌與宿主之間的共生[5]。脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)和梭菌可促進調節(jié)性T細胞分化、擴增，誘導腸道免疫耐受[6-7]。此外，B細胞來源的IgA分泌至腸腔中可與細菌抗原結合，阻止細菌移位，也是腸屏障的重要組成部分[8]。

腸道菌群與宿主能量代謝之間也有密切聯(lián)系，部分細菌可直接合成激素或激素樣化合物，也可通過調節(jié)腸道內分泌細胞的功能間接參與內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調節(jié)。梭菌發(fā)酵膳食纖維的代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)可作用于腸道內分泌細胞L細胞，調控胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)、酪酪肽、葡萄糖依賴性促胰島素多肽的釋放，調節(jié)機體胰島素敏感性和能量代謝，也可促進腸嗜鉻細胞合成、分泌5-羥色胺(5-HT)，參與腸道運動、分泌反射以及血小板功能的調節(jié)[9]。此外，經腸道微生物轉化而來的次級膽酸可結合L細胞上的法尼酯X受體(FXR)，刺激GLP-1分泌，參與血糖平衡的調節(jié)[10]。

腸道共生菌還可通過多種機制影響中樞神經系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，包括調節(jié)下丘腦-垂體-腎上腺軸、神經免疫反應、神經元發(fā)育、迷走神經信號轉導和血腦屏障的穩(wěn)定性[11]。膳食纖維代謝物SCFAs不僅可調控腸道內分泌細胞合成、分泌5-HT，維持中樞神經系統(tǒng)和腸神經系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，還可調節(jié)神經傳遞過程和血腦屏障的穩(wěn)定性，從而影響情緒和行為。

二、腸道微生態(tài)與消化系統(tǒng)疾病

1.艱難梭菌感染(Clostridiumdifficileinfection, CDI)：1935年Hall和O’Toole從健康新生兒糞便中成功分離出革蘭陽性厭氧產芽孢桿菌艱難梭菌，其孢子廣泛存在于外界環(huán)境中，對熱、酸和多數(shù)抗菌藥物耐受，通過糞-口途徑傳播[12]。約5%的成人和15%～70%的嬰兒可發(fā)生CDI，住院患者和養(yǎng)老院老人的感染率則是前者的數(shù)倍。正常菌群的定植抗性是抑制病原體感染的主要生物屏障。一般情況下，初級膽酸通?？纱碳てD難梭菌孢子萌發(fā)，經7α-去羥化腸道細菌轉化而來的次級膽酸則抑制這一過程[13]。腸道菌群失衡后，艱難梭菌開始定植于并支配結腸，這可能是CDI發(fā)生的第一步。然而只有部分艱難梭菌定植患者會出現(xiàn)CDI癥狀。艱難梭菌在致病過程中主要產生腸毒素A和細胞毒素B，艱難梭菌轉氨酶是部分艱難梭菌，包括流行的高毒力PCR-核糖體型027分泌的第三種毒素。這些毒素引起腸道黏膜損傷和炎癥，導致艱難梭菌相關性腹瀉，如不及時醫(yī)治可發(fā)生嚴重的偽膜性腸炎和膿毒血癥，病死率高達15%～24%[14]。幾乎所有抗菌藥物都會增加對CDI的易感性，特別是頭孢菌素和氟喹諾酮類，克林霉素和青霉素類引發(fā)CDI的風險最高。在過去十年中，CDI已成為最重要的醫(yī)院感染之一。接受抗菌藥物治療的老年住院患者CDI發(fā)生風險最高，糞菌移植(fecal microbiota trans-plantation, FMT)已成為復發(fā)性CDI非常有效的治療方法之一。

2.炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)：克羅恩病(Crohn’s disease, CD)和潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)是IBD的兩種主要類型，近十余年來，IBD患病率在全球范圍內急劇上升，其病因目前尚不清楚，主要與遺傳易感性、黏膜屏障受損、免疫紊亂、環(huán)境改變以及菌群失調等有關。IBD是最早對腸道菌群進行深入研究的疾病之一，相關研究揭示了IBD患者腸道菌群多樣性和穩(wěn)定性降低，具體表現(xiàn)為真桿菌、擬桿菌、梭菌減少，腸桿菌、梭形桿菌、腸球菌增加。同時，代謝組學研究顯示SCFAs等有益的菌群產物減少，原代膽酸及其甘氨酸和?；撬峤Y合物明顯增加[15]。全基因組關聯(lián)研究鑒定出163個與IBD相關的易感基因位點，先天免疫基因如NOD2、ATG16L1、IRGM等與CD發(fā)病顯著相關[16]。然而，并非所有攜帶IBD易感基因變異體的個體都會發(fā)病，基因突變在IBD發(fā)病中僅起有始動作用。腫瘤壞死因子(TNF)ΔARE小鼠表現(xiàn)為主要累及回腸的CD樣透壁性炎癥，但Schaubeck等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，TNFΔARE小鼠自發(fā)性腸炎的嚴重程度是微生物依賴性的，無菌TNFΔARE小鼠不發(fā)生腸道炎癥，常規(guī)TNFΔARE小鼠經抗菌治療后回腸炎癥減輕；分別將炎癥和非炎癥TNFΔARE小鼠的糞便移植至無菌TNFΔARE小鼠體內，僅前者可成功誘導CD樣回腸炎，證實腸道細菌是引發(fā)IBD炎癥損傷的重要驅動因素。IBD藥物治療與腸道菌群也有一定關聯(lián)。與未經治療者相比，美沙拉嗪治療可降低糞便細菌和黏膜黏附細菌濃度，在體外可以劑量依賴性的方式抑制鳥分枝桿菌副結核亞種生長，后者與CD病因密切相關[18]；同時可抑制沙門菌的侵襲性和抗菌藥物耐藥性相關基因表達，抑制感染后IBD發(fā)生[19]。以抗TNF-α抗體誘導IBD緩解，應答者治療前和治療過程中的腸道普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)豐度均顯著高于無應答者[20]。如能利用糞便細菌作為生物學標志物，以非侵入性的方式預測IBD患者的治療應答，臨床醫(yī)師將能更迅速地確定有效治療方案，從而提高患者的生活質量。

3.結直腸癌(colorectal cancer, CRC)：CRC是全球第三大常見惡性腫瘤，低收入和中等收入國家的CRC發(fā)病率增速最快，主要與西方化飲食的生活方式有關。從發(fā)病機制角度，腸上皮細胞惡性轉化并進展至CRC至少包括三個主要步驟：Lgr5陽性腸干細胞發(fā)生致癌突變；Wnt/β-catenin信號改變；促炎信號的級聯(lián)放大效應。腸道菌群紊亂是CRC病情進展的一個重要危險因素。一項全基因組關聯(lián)研究[21]證實，高比例的擬桿菌、梭形桿菌和腸桿菌與CRC局部炎癥和腫瘤分期密切相關；與攝入水果和蔬菜相反，肉類飲食(紅肉)可降低腸道產丁酸菌和膽汁酸代謝菌豐度，表明飲食方式在CRC發(fā)病中起重要作用。目前，已比較明確的是，具核梭桿菌(Fusobacteriumnucleatum)、產大腸菌素的大腸埃希菌(Escherichiacoli)和產毒素型脆弱擬桿菌與CRC進展間可能存在因果關系。然而，目前對于靶向腸道細菌防治CRC的機制知之甚少。從機制角度看，腫瘤組織中大量富集的具核梭桿菌FadA黏附素是上皮細胞E-cadherin的配體，可激活下游β-catenin信號，引起腸上皮細胞生長失控、腺瘤樣表型形成和細胞極性喪失，與微衛(wèi)星不穩(wěn)定型和BRAF基因突變型CRC密切相關[22]。此外，提示預后不良和腫瘤分期較差的腸黏膜大腸埃希菌多含有基因組聚酮合酶(polyketide synthase, PKS)毒力基因島，編碼基因毒素colibactin，能誘導哺乳動物上皮細胞DNA損傷和基因突變[23]。研究發(fā)現(xiàn)，細菌核苷酸代謝基因可影響5-氟尿嘧啶和喜樹堿的抗腫瘤效應[24]；由腸道菌群介導的免疫調節(jié)機制與機體對免疫檢查點抑制劑如程序性死亡分子-1(programmed death-1, PD-1)/PD-1配體(PD-L1)單抗的免疫應答密切相關，如雙歧桿菌可顯著增強抗PD-L1治療的療效[25]，PD-1單抗的療效強烈依賴于阿克曼菌誘導的Th1型免疫反應[26]。具核梭桿菌可通過Toll樣受體4信號通路和某些miRNAs激活自噬等復雜機制導致CRC對化療耐藥[27]，抑制具核梭桿菌及其黏附受體可能阻止化療耐藥的產生。

4.腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)：IBS是最常見的消化系統(tǒng)疾病之一，其特征是慢性、復發(fā)性腹痛和排便習慣改變。目前IBS仍缺乏有效的診斷以及預測病情進展的生物學標志物，疾病的異質性使其管理差強人意。神經-免疫-內分泌系統(tǒng)在表觀遺傳學和性別上的差異、腦-腸軸、膽汁酸代謝以及遺傳因素都可能涉及IBS發(fā)病的調控。IBS的遺傳易感特質可與細菌感染、毒性物質、飲食方式、生活事件相關因素等共同作用，增加腸屏障通透性，最終引起黏膜免疫微炎癥和局部微環(huán)境失調。研究發(fā)現(xiàn)急性胃腸炎后發(fā)生IBS的風險顯著增加，其機制可能與感染觸發(fā)物(細菌、病毒或寄生蟲)在易感個體中激活異常免疫反應有關，部分患者對菌群調節(jié)治療策略有積極應答[28]。因此，菌群失調可能是IBS病理生理學機制的一個重要影響因素。組學研究證實IBS患者腸道中腸桿菌等促炎細菌種類相對豐富，梭菌、雙歧桿菌數(shù)量相應減少[29]。雙歧桿菌可與其他細菌或宿主相互作用，分泌細菌素，對外來病原體有一定殺菌作用，也可刺激樹突細胞調節(jié)宿主免疫系統(tǒng)功能。IBS患者中比例較低的雙歧桿菌、梭菌、瘤胃球菌、韋榮球菌等均為產SCFAs菌，而SCFAs具有一定的抗炎和胃腸動力調節(jié)作用[30]。甲烷短桿菌是最常見的產甲烷菌，甲烷可抑制腸道轉運，與便秘型IBS(IBS-D)的病情有一定關聯(lián)[31]。此外，明確IBS病情嚴重程度的影響因素與腸道菌群組成之間的相互作用也十分重要。一項基于正常人群的菌群研究[32]表明，性別與腸道微生態(tài)結構、多樣性和功能單元豐度(同源集群)密切相關，女性相對于男性表現(xiàn)出更高的菌群功能單元豐度。然而在IBS菌群相關研究[33]中，盡管男、女性患者間各“腸型”(腸道微生物菌型)的分布比例存在一定差異，但并未發(fā)現(xiàn)整體菌群功能單元豐度受到性別因素的影響。IBS患者的精神心理改變與腸道菌群失調也存在一定關聯(lián)，將腹瀉型IBS(IBS-D)患者的糞菌移植入無菌小鼠可使其產生焦慮樣行為[34]。因此，性別和精神疾病可能是解釋IBS特異性微生物變化的重要變量。

5.乳糜瀉(celiac disease, CeD)：CeD是一種由免疫失調介導的腸道疾病，獨特之處在于已明確其具體觸發(fā)因素為麩質蛋白。目前治療主要采用無麩質飲食(gluten-free diet, GFD)。數(shù)項研究確定了CeD患者與健康人的差異菌群，表現(xiàn)為棒狀細菌如擬桿菌、梭菌、大腸埃希菌豐度增加，雙歧桿菌、鏈球菌、普氏菌、乳桿菌豐富降低[35]。然而這些研究大部分是描述性的，難以確定腸道菌群改變是CeD的原因還是后果。為了解CeD中腸道菌群的致病機制，分別將CeD患者和健康人的小腸細菌移植入無菌小鼠，結果顯示乳桿菌具有保護作用，條件致病菌銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)則與CeD發(fā)生相關[36]。銅綠假單胞菌可分泌纖維素酶LasB，該酶可破壞腸屏障并促進麥醇溶蛋白移位至黏膜固有層，激活黏膜免疫反應；相反，乳桿菌產生的蛋白酶可進一步分解人胃蛋白酶部分降解的麥醇溶蛋白肽或銅綠假單胞菌生成的免疫原性肽，有效降低這些多肽分子的免疫原性。益生菌被認為是可使腸道菌群恢復至抗炎狀態(tài)的重要治療手段，然而目前尚缺乏支持益生菌用于治療CeD的數(shù)據(jù)。

三、結語

腸道生理微結構如黏液層厚度、腸上皮細胞密度和受體位點對微生物與宿主間的相互作用、腸屏障完整性的維持和免疫系統(tǒng)的調控都有一定影響，細菌與上皮細胞之間的正常通訊是維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關鍵因素。腸道菌群不僅參與維持胃腸道健康，對疾病的發(fā)生、發(fā)展也起有重要作用。目前研究的不足之處在于，多數(shù)研究都停留在關聯(lián)分析階段，缺乏特定細菌參與消化系統(tǒng)疾病發(fā)生的直接證據(jù)。然而，腸道菌群在宿主生理功能中的作用可能揭示了菌群失調與宿主功能紊亂之間的某種聯(lián)系。益生菌可糾正腸道菌群的失衡狀態(tài)，特別是益生菌的代謝物，如細菌素、抗菌肽以及SCFAs等，具有良好的抗炎作用。研究、開發(fā)與腸道其他微生物和諧共處的益生菌組合、促進內環(huán)境穩(wěn)態(tài)是當前相關研究領域面臨的一項重要挑戰(zhàn)。